[发明专利]一种抗干扰和饱和特性的飞行机械臂位姿控制方法

说明书

本发明涉及一种抗干扰和饱和特性的飞行机械臂位姿控制方法，针对环境外力及机械臂运动特性影响飞行机械臂控制精度问题，首先构建含有环境外力及机械臂运动特性的飞行机械臂耦合动力学方程，其次，针对机械臂与无人机间的耦合作用设计对应估计器，再次，针对外力干扰，设计外力干扰观测器；然后，针对耦合作用估计误差和外力观测误差，设计抗饱和控制器进行抑制；最后通过求取抗饱和控制器、耦合估计器与外力观测器控制增益，设计复合分层抗干扰控制器，完成多源干扰下的飞行机械臂抗干扰位姿控制；本方法能够显著提高采用直流电机执行机构的多旋翼飞行机械臂位姿控制精度，可用于飞行机械臂等多旋翼无人系统的高精度位姿控制。

技术领域

本发明涉及一种抗干扰和饱和特性的飞行机械臂位姿控制方法，适用于搭载多自由度机械臂且需要实现高精度位姿控制的多旋翼飞行无人系统，属于特种作业无人机控制领域。

背景技术

近年来随着多旋翼无人机的应用不断丰富，任务复杂度日益提升，要求多旋翼无人机搭载功能性更强的多自由度机械臂作为特种任务载荷。此外，随着多旋翼无人机系统的任务和场景逐渐复杂，对机械臂末端执行器位姿控制提出了更高要求，需要结构更轻、更加灵活的机械臂以实现高精度物体抓取；从续航时间和无人机稳定性要求来说，搭载机械臂和末端执行器的质量体积均有严格限制，因此上述机械臂和末端夹爪通常采用轻型高强度的多自由度机械结构设计；同时，机械臂自由度的增加使得无人机与机械臂间的耦合作用变得复杂，还导致整个飞行机械臂系统的质心和惯量发生变化，严重影响飞行机械臂系统位姿控制精度。

此外，针对多源干扰条件下的飞行机械臂抗干扰高精度控制一直是特种作业无人机研制中的关键技术。无刷直流电机是无人机姿态控制系统中最重要的执行部件之一，无人机位置控制的精度决定着机械臂末端的位姿精度。常规的共轴多旋翼无人机为典型的欠驱动系统，其位置控制精度易受到环境外力干扰影响。对于以飞行机械臂为代表的特种作业无人机，一方面，真实环境中存在着阵风、障碍物碰撞、物体抓取时的交互等外界环境外力干扰，这类外力干扰在建模过程中可看作集总干扰予以处理。另一方面，机械臂运动产生的耦合作用通过与无人机的刚性连接影响无人机，该耦合力矩易在机械臂与无人机本体间来回传递，引起无人机姿态控制的偏差。同时，考虑无人机系统的欠驱动特性，姿态误差又会进一步影响无人机位置控制，并导致飞行机械臂末端抓取精度下降，进而导致任务失败。因此，实现飞行机械臂位姿高精度控制，在该类特种作业无人机设计的过程中必须克服上述两类主要干扰的影响。最后，对于环境外力和机械臂耦合作用施加在无人机上的外力认为是无人机受到的集总外力，当集总外力干扰与期望运动的方向不同时，采用不同的抗干扰策略可对外力变化做到快速响应和节省控制能量的效果。

专利申请号为201721229966中提出了一种面向抓取作业型旋翼飞行机械臂系统，但存在两个问题：(1)该文并没有考虑机械臂运动产生的耦合作用对无人机位置控制带来的外力干扰，会对无人机的姿态和位置控制精度造成影响；(2)并没有考虑集总外力干扰与期望运动轨迹的关系，在实际使用会受到一定限制。专利申请号为CN201811366685.6中提出了一种旋翼飞行双机械臂目标定位抓取系统及方法，其中提出的方法同样存在类似问题：(1)未考虑机械臂耦合作用和外界环境对无人机影响；(2)并未充分考虑方法中涉及的针对无人机受到集总外力干扰与期望轨迹的关系，因此在精度和稳定性上会逊色于本文方法。

发明内容

本发明的技术解决问题是：克服现有不足，提供一种抗干扰和饱和特性的飞行机械臂位姿控制方法，利用该方法能提升以旋翼无人机为平台的空中机械臂系统的自身稳定性和环境适应性，能够实现飞行机械臂系统的高精度位姿控制。

本发明的技术方案为：一种抗干扰和饱和特性的飞行机械臂位姿控制方法，其实现步骤如下：

步骤一、构建含有环境外力及机械臂运动特性的飞行机械臂耦合动力学方程，针对机械臂与无人机间的耦合作用设计对应估计器；

针对直流无刷电机中的饱和特性，并同时考虑机械臂耦合作用与外力干扰的动力学方程，建立飞行机械臂模型，表示如下：